怎样去编写串口通信USART的程序？有哪些步骤

一、什么是USART

  1. USART简介

  USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)的全称为通用同步/异步串行接收/发送器，它与普通串口UART的不同在于，USART有同步、异步两种工作模式；而UART是经过裁剪后的USART，只有异步工作模式。
  2. STM32F4中的USART

  2.1 USART的发送/接收引脚

  STM32F4中有两个USART(USART1、USART2)，其中，我们以USART1为例，它的发送、接收与PA9、PA10引脚相连，从如下的GPIO引脚复用图中可以看出，PA9可以复用为USART1的发送(TX)功能，而PA10可以复用为USART1的接收(RX)功能。

  

  

  2.2 USART转为USB接口

  单片机通常需要与电脑互相传输数据，但是电脑没有USART接口，这该怎么办呢？设计者通常通过一个芯片把USART接口转换为USB接口，这样就可以与电脑通信了。
  能实现USART转USB的芯片有很多，STM32F4中使用的是CH340G。

  

  

STM32F4中USART1转USB的原理图如下所示：

  

  

其中，TXD/RXD 是相对于 CH340G 来说的，也就是 USB 串口的发送和接受脚。而 USART1_RX/USART1_TX 则是相对于 STM32F407ZGT6 来说的。这样，通过对接，就可以实现 USB 串口和 STM32F407ZGT6 的串口通信了。
  注： 在本文的实验中，就是用USB串口把USB信号转换为串口信号，进而通过PA9和PA10的复用功能来与单片机进行通信。
  二、常用的串口相关寄存器

  常用的串口相关寄存器有三个：
  

• USART_SR 状态寄存器，用来记录一些状态，如是否接收到数据，是否要发送数据等
  
• USART_DR 数据寄存器，用来存储数据，包括要接收的数据和要发送的数据等
  
• USART_BRR 波特率寄存器，用来调整波特率的大小。
  
  

  其中，USART_SR和USART_DR的各个位的含义在 《STM32F4xx中文参考手册》 的26.6节可以查到， 本文不再赘述。这里只简要介绍一下USART_BRR波特率寄存器的内部结构:
  在上篇博文【STM32F4】四、串口通信1——硬件部分中我们在第三部分列出过，下面我们只把波特率发生器的硬件部分展示在下图中：

  

  

首先由USART_BRR寄存器产生初始的时钟信号，假设频率为f；输入到分频系数为USARTDIV的分频器后，输出信号频率变为** f / USARTDIV**；在经过采样除法器后，最终输出信号的波特率为** f / USARTDIV / [8 x (2 - OVER8)] **，其中，OVER8可人为设置。
  其中，初始频率 f 通常是固定的，OVER8 通常设为0；那么公式就简化为波特率 = f / USARTDIV / 16。而为了得到最终的波特率，我们要求的其实就是唯一的可变参数USARTDIV，实际上它也是由USART_BRR寄存器决定的。
  但在程序中，我们不需自己计算USART_BRR的配置。我们只要把想要的波特率(如115200)直接写入程序、传给相应函数即可，STM32F4提供的库函数会帮我们计算并对USART_BRR进行配置。
  三、程序编写

  1. 串口配置的一般步骤

  根据正点原子的课程，列出串口配置(带中断响应)的一般过程如下：
  

   ① 必要的时钟使能
   

• 串口时钟使能：RCC_APBxPeriphClockCmd();
  
• GPIO时钟使能：RCC_AHB1 PeriphClockCmd();
  注:要想使用一个外设，必须要对【外设】、以及【连接外设的GPIO引脚】的时钟进行使能。
  
  

② 引脚复用映射：GPIO_PinAFConfig():
③ GPIO端口模式设置：GPIO_Init(); //模式设置为GPIO_Mode_AF
④ 串口参数初始化：USART_Init(); //配置波特率等参数
⑤ 开启中断并且初始化NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤）：
   

• NVIC_Init();
  
• USART_ITConfig();
  
  

⑥ 使能串口：USART_Cmd();
⑦ 编写中断处理函数：USARTx_IRQHandler();
⑧ 串口数据收发：
   

• void USART_SendData(); //从DR寄存器中将数据发送出去
  
• unit16_t USART_ReceiveData(); //从DR寄存器读取接收到的数据
  
  

⑨：串口传输状态获取：
   

• FlagStatus USART_GetFlagStatus();
  
• void USART_ClearITPendingBit();
  
    
  
  
  
  

  

  下面我们也将按照上述步骤，一一编写程序。
  2. 编写程序

  下面我们把经过详细注释的代码放上来，全都是按照上述九个步骤来写的：

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"


void My_USART1_Init(void) //配置和初始化的程序，除中断处理函数外，其他的配置都在这里面
{
        GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; //用于GPIO配置的结构体
        USART_InitTypeDef* USART_InitStruct; //用于USART配置的结构体
        NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct; //用于NVIC配置的结构体
       
//===============================一、串口时钟使能===================================
        //使能USART1,由于USART1挂载在APB2总线下，所以要去RCC相关的库函数中搜索APB2的时钟使能函数
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);


//=================================GPIO时钟使能=====================================
        //因为要通过PA9和PA10的复用功能来使用UART1，所以也要使能GPIOA的时钟，GPIOA挂载在AHB1总线下
        RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
       
//===============================二、引脚复用映射===================================
        //通过下面这个函数，把PA9配置为复用功能——USART1_TX，PA10配置为复用功能——USART1_RX
        GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
        GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
       
//=============================三、端口模式设置==================================
        //下面要配置PA9和PA10配置为复用模式
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //GPIO_Mode_OUT;  //AF即复用模式
        GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
        GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
        GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);


//================================四、串口参数初始化=================================       
        //初始化USART1的配置
        USART_InitStruct->USART_BaudRate = 115200; //波特率
        USART_InitStruct->USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//不使用硬件流控制
        USART_InitStruct->USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //把发送和接收功能都进行使能
        USART_InitStruct->USART_Parity = USART_Parity_No;//不使用奇偶校验
        USART_InitStruct->USART_StopBits = USART_StopBits_1;//使用1个停止位
        USART_InitStruct->USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//因为没有奇偶检验，所以可以使用8位字长
        USART_Init(USART1, USART_InitStruct);
       
        //====================================================================
        //=============如果不使用中断，那么这个程序到这里就可以结束了=============
        //====================================================================
       
//=============================五、开启中断并且初始化NVIC============================
        //配置NVIC
        //首先设置中断优先级分组
        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
        //再初始化NVIC
        NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;//不同的通道定义在顶层头文件stm32f4xx.h中   //设置NVIC通道为USART1的通道
        NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
        NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;//设置抢占优先级为1
        NVIC_InitStruct->NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;//设置响应优先级为1
        NVIC_Init(NVIC_InitStruct);


//==================================六、使能串口====================================
        //使能USART1
        USART_Cmd(USART1, ENABLE);
        //使能USART1的某种中断
        USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//把接收非空中断USART_IT_RXNE使能，即一旦接收到了信息，就引发中断，且执行相应的中断函数


        //下一步就要在下面定义USART1的中断服务函数，函数名是固定的，在官方的系统系统文件中startup_stm32f40_41xxx.s已经给出：USART1_IRQHandler
}


//================================七、编写中断处理函数===============================
void USART1_IRQHandler(void)
{
        u8 res; //用来记录接收到的数据，因为我们在上面设置的8位字长代表一个数据，所以这里可以用u8来记录？


//==============================九、串口传输状态获取=================================
        if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)) //读取USART_IT_RXNE标志位的状态)
        {
//================================八、串口数据收发==================================
                res = USART_ReceiveData(USART1); //读取接收到的数据
                USART_SendData(USART1, res); //把接收到的数据发出去
        }
}




//主函数
int main(void)
{
        My_USART1_Init();
        while(1); //在这里无限循环即可，程序会自动执行 中断 和 中断处理函数
       
        return 0;
}
  注： 如果编译时程序出错，可能是因为在官方库文件usart.c里已经定义过一个中断处理函数USART1_IRQHandler()，把它注释掉或者把这个文件删掉即可。

  

  

  四、更复杂的程序(USART_RX_STA寄存器的应用)

  我们在上面第三部分写的程序中，在中断处理函数里我们只是简单地把每个接收到的字符发送出去，没有做其他处理。但是，这往往不能满足工程师们的需求。
  工程师们在使用串口时，通常要求在写完一段话后才进行发送(而不是每收到一个字符就发送出去)，而且一定要有一个结束标志(如回车键Enter)，当遇到结束标志时才进行发送，而不是像第三部分中机械地每收到一个字符就发送一个。
  这就要求在以上程序的基础上，加入如下功能：
  

• 自己设计一个结束标志，以让单片机明白待发送的信息到哪里就结束了；
  
• 有一个buffer，用来存储我们输入的这一段话(这个buffer通常时我们自己创建的一个数组)，知道遇到结束标志，才把这段话发送出去。
  
  

  为了实现以上能存储一段话、且有结束标志的功能，STM32F4为我们提供了一个很方便的寄存器：USART_RX_STA。
  1. USART_RX_STA 寄存器简介

  USART_RX_STA寄存器共有16位，即0 ~ 15，每个位的作用如下图所示：
(下图源自正点原子《STM32F4开发指南——库函数版本》 5.3.3小节——USART1_IRQHandler 函数)

  

  

其中，0 ~ 13位用来表示接收到的有效数据个数，由于其有14个二进制位，因此最大的可保存数据为 2 ^14 -1，也就是说我们一段话最多可以包含 2 ^14 -1 个字符；
第 14 位用来表示是否接收到了某个标志符(图中的 0X0D 表示回车符，也就是说当接收到回车符时，要把第** 14** 位置 1)，我们通常将回车符或者是回车符和某个字符的组合设为结束标志。
  第 15 位用来表示是否接收完成，也就是要根据我们人为设计的结束标志(如回车+ c) 来判断，如果遇到了结束标志，则需要把这一位置1，对接收的信息处理完成后再把这一位置0。
  2. 程序编写

  2.1 程序思路

  从上面的描述中可以看出，要使用USART_RX_STA寄存器，我们需要始终对 此寄存器的几个标志位 及 串口接收到的字符 进行监控和更新。
  现在假设我们把标志为设为 ** 0X0D + 0X0A**，即回车键 + 换行键(其实只要在键盘上按下一次回车键就够了)，那么我们要做的监控和更新操作如下：
  

• 每接收到一个字符，就把字符添加用以保存句子的buffer中，并把 0 ~ 13 位保存的数字加1，用以记录有效数据的个数；
  
• 监控接收到的字符，如果接收到了0X0D(回车符)，则把第 14位置1；
  
• 监控接收到的字符，如果接收到了0X0A，则判断第 14 位是否为1，如果是1，表示上一个接收到的字符是回车符，当前接收到的字符是换行符，表示句子结束，这时候我们就把buffer中的信息拿来处理，并把寄存器的所有位都置0，重新开始工作；而如果当前接收到了0X0A，但第 14 位并不是1，那么表示出现了错误，则把buffer清空，且寄存器的所有位置0，重新开始工作。
  
  

  2.2 编写程序

  上述所有工作，都与我们的初始化函数My_USART1_Init没有关系，初始化只是一个初始化功能，没有监督和更新的作用；
  而上述所有监督和更新的工作，我们都在中断处理函数和主(main)函数中完成，如下，先展示出中断处理函数：

void USART1_IRQHandler(void)                        //串口1中断服务程序
{
        u8 Res;
#if SYSTEM_SUPPORT_OS                 //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
        OSIntEnter();   
#endif
        if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //根据USART_IT_RXNE标志位来确认是否接收到了新字符
        {
                Res =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR);        //读取接收到的新字符
               
                if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//USART_RX_STA&0x8000，即读取USART_RX_STA的第15位(1000 0000 0000 0000，其实是第16位，但是用 0 ~ 15 来编号的话，我们把它叫做第15位)
                {
                        if(USART_RX_STA&0x4000)//USART_RX_STA&0x4000，即读取USART_RX_STA的第14位，判断上一次接收到的字符是否是0x0d
                        {
                                if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//如果上一次是0x0d，但这次不是0x0a，则表示接收错误,USART_RX_STA全部清0，重新开始
                                else USART_RX_STA|=0x8000;        //如果上一次是0x0d，且这一次是0x0a，表示接收到了结束标志位，当前的句子接收完成，把第15位置1
                        }
                        else //还没收到0X0D
                        {       
                                if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;//如果这次接收到的是0x0d，则把USART_RX_STA的第14位置1
                                else
                                {
                                        USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;//如果之前没有接收到0x0d，且这一个接收到的字符也不是0x0d，则表示当前这个字符是普通消息，则把它存在buffer(USART_RX_BUF)的第USART_RX_STA&0X3FFF中。其中，USART_RX_STA&0X3FFF是我们当前记录的字符个数，即USART_RX_STA的0 ~ 13位(0011 1111 1111 1111)
                                        USART_RX_STA++; //当没有接收到0x0d时，USART_RX_STA的第14、15位都是0，只有前13位有数据，用以存储接收到的字符个数，因此这里直接把USART_RX_STA加1，用来记录字符个数，且不会影响到14、15位(因为它们都是0)
                                        if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//如果接收到的字符个数比可接收的最多数量USART_REC_LEN多了，则表示溢出、接收错误,重新开始接收          
                                }                 
                        }
                }                    
  }
#if SYSTEM_SUPPORT_OS         //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
        OSIntExit();                                                                                           
#endif
}
#endif       
从以上程序中可以看到，中断处理函数主要做了监督并更新第14、15位，以及保存字符、且监督并更新 0 ~ 13 位。
另外，关于程序中的#if SYSTEM_SUPPORT_OS OS，我在这篇帖子中找到了相关的解释：
  

  我感觉它的作用是保护传输数据不被打断。
如果有操作系统(对于STM32，一般是UCOS)的话，可能会涉及比串口中断优先级更高的中断，会打断串口传输，所以在进入串口中断后干脆就关掉总中断，等传完了再开中断，如果是这样的话中断结尾估计还得有个OSIntExit（）。
这是一种保护临界段的手段。
  

  那么，主(main)函数中需要做什么工作呢？

int main(void)
{

        u8 t;
        u8 len;       
        u16 times=0;  
        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
        delay_init(168);                //延时初始化
        uart_init(115200);        //串口初始化波特率为115200
        LED_Init();                                  //初始化与LED连接的硬件接口  
        while(1)
        {
                if(USART_RX_STA&0x8000) //若检测到USART_RX_STA的第15位、即结束标志位为1，则表示当前信息传输结束
                {                                          
                        len=USART_RX_STA&0x3fff;//得到此次接收到的数据长度
                        printf("rn您发送的消息为:rn"); //把这句话通过串口打印到屏幕上
                        for(t=0;t                         {
                                USART_SendData(USART1, USART_RX_BUF[t]);         //向串口1发送数据
                                while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束
                        }
                        printf("rnrn");//插入换行
                        USART_RX_STA=0; //把当前信息处理完后，将USART_RX_STA清0，一切重新开始
                }else //如果结束标志位为0.则表示当前信息传输还未结束
                {
                        times++;
                        if(times%5000==0)
                        {
                                //打印信息以提示工程师继续输入信息
                                printf("rnALIENTEK 探索者STM32F407开发板 串口实验rn");
                                printf("正点原子@ALIENTEKrnrnrn");
                        }
                        if(times%200==0)printf("请输入数据,以回车键结束rn");  
                        if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁LED,提示系统正在运行.
                        delay_ms(10);   
                }
        }
}
整个主函数中，最主要的就是while(1)循环，它负责监督USART_RX_STA寄存器的结束标志位，如果结束标志位被置1，则表示当前信息传输结束，主函数就把从串口USART1接收到的信息再通过USART1发送出去；
如果当前USART_RX_STA的结束标志位不是1，则表示传输还未结束，主函数则打印提示信息，以提示工程师继续输入信息。